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EES：吉林大學杜菲團隊在全固態鋰離子電池研究方面取得重要進展

來源：吉林大學物理學院      2023-08-28
導讀：近日，吉林大學物理學院新型電池物理與技術教育部重點實驗室杜菲教授團隊，與中國第一汽車股份有限公司研發總院新能源開發院電池開發部共同合作，在全固態鋰離子電池研究方面取得重要進展，相關成果發表在儲能領域國際著名期刊《Energy & Environmental Science》上。
近年來，為了滿足電動汽車對高安全性、高能量密度電池和大規模儲能日益增長的需求，基于固體電解質和金屬鋰負極的全固態鋰電池普遍被認為是下一代二次電池新技術。然而，在全固態電池中正極活性材料和固態電解質顆粒間較差的電化學相容性以及固-固“點對點”的物理接觸模式嚴重限制了全固態電池界面處離子、電子的傳輸能力，制約了全固態電池的發展。因此，對全固態電池電極結構與固-固復合方式的設計是當前亟待解決的關鍵科學問題。

本工作中，杜菲教授研究團隊在設計開發固態電池正極/電解質復合電極、實現合理平衡復合電極中界面處的離子、電子傳輸能力層面做了深入研究。研究人員首次從復合電極的化學-機械穩定性的角度提出了復合電極的設計方案，揭示了復合電極固-固界面演變規律的本質，闡明了保障界面處的離子、電池傳輸能力是全固態電池獲得優異性能以及在寬溫度范圍內工作的必要條件。
研究人員采用機械工程的方法合成了復合電極，在復合電極中商用三元正極材料（NCM）和鹵化物固態電解質（Li3InCl6）之間形成均勻且超共形的互穿網絡，實現了離子、電子的快速傳輸。且復合電極表現出優異的機械性能，具有高楊氏模量和維氏硬度，可承受全固態電池電極在充放電過程中發生的化學-機械變形，從而保證復合電極結構的完整性與穩定性。這種方法顯著提高了全固態電池的能量密度與循環壽命，0.1C電流密度下，比容量達到 216.4 mA h g-1，首次庫侖效率高達91.6%，可與NCM在有機液態電池中的性能相媲美。此外，所提出的全固態電池還具有理想的低溫性能，在 0℃ 和 -20℃ 時的容量分別為 172.5 mA h g-1和 118.4 mA h g-1，是目前全固態電池在低溫領域報道中的最高值。這項研究為全固態電池的電極設計，以及在寬溫度范圍內應用并實現優異性能提供了一種前景廣闊的策略。
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文章第一作者為吉林大學物理學院2021級博士研究生張子晨，通訊作者為吉林大學物理學院杜菲教授、姚詩余副教授。該工作得到了國家自然科學基金委、吉林省科技廳和吉林省科技攻關“揭榜掛帥”項目的大力支持。

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